供稿|劉一釘，鐘軼峰，，趙子龍，，李帛書，鄧兵 / LIU Yi-ding, ZHONG Yi-feng, , ZHAO Zi-long, ,LI Bo-shu, DENG Bing

內(nèi)容導(dǎo)讀

進入21世紀以來，隨著跨海灣、海峽大橋的建造，超高層、大跨度混凝土構(gòu)筑物的出現(xiàn)使混凝土材料面臨著新的挑戰(zhàn)。應(yīng)運而生的“新型綠色工程材料”——水泥基工程復(fù)合材料 ECC則是基于細觀力學(xué)設(shè)計的一種具有超強韌性的三維亂向分布短切纖維增強水泥基復(fù)合材料，可以滿足這些工程應(yīng)用對材料性能的特殊要求。ECC材料的良好特性主要表現(xiàn)為以下特征：高延性、高韌性和多縫開裂等。文章從材料設(shè)計理論、制備工藝和應(yīng)用前景對ECC材料進行了研究，經(jīng)由多種前提的假定、原理分析(二重變分漸近雙尺度法、應(yīng)力應(yīng)變曲線等方法)并進行模擬實驗，建立了ECC水泥多尺度標準模型。實驗通過建立不同界面模型，采用理論分析后對模型參數(shù)進行校正，提出變分漸進多尺度模型技術(shù)路線制備高性能ECC材料的研究理論，為工程復(fù)合材料的制備提供了具有一定參考價值的理論模型。

工程用水泥基復(fù)合材料(Engineered Cementitious Composites，ECC)是一種具有高延性、高韌性和多縫開裂特征的纖維增強水泥復(fù)合材料，是由密歇根大學(xué)Li等在20世紀90年代提出的，是根據(jù)細觀力學(xué)和斷裂力學(xué)基本原理設(shè)計的一種短纖維增強水泥復(fù)合材料[1]。此后，美國、日本等國家對該材料的性能和力學(xué)原理進行了大量研究，結(jié)果表明，ECC材料不僅具有超高的韌性，而且有較強的能量吸收能力，其極限拉應(yīng)變值大約為普通混凝土的100～300倍[2]。

通常情況下，ECC的纖維體積摻雜量約占砂漿整體體積摻量的2%，但其極限拉應(yīng)變可超過3%，并且呈多點開裂現(xiàn)象，同時各裂縫寬度不超過100 μm。這說明ECC具有很好的延展性和微裂紋控制能力，解決了混凝土脆性破壞的缺點?？蓪CC材料應(yīng)用于抗震結(jié)構(gòu)、抗沖擊結(jié)構(gòu)、水工大壩結(jié)構(gòu)中，能夠顯著改善結(jié)構(gòu)的耗能性和裂縫控制能力，大大提高結(jié)構(gòu)的安全性[3]。Li等對PVA-ECC材料的設(shè)計和組分選擇、材料結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能及施工工藝進行了廣泛的實驗研究[4]。Yu等采用擴展有限元法和內(nèi)聚力裂縫模型相結(jié)合，模擬了超高韌度水泥基修復(fù)震損剪力中混凝土和ECC材料內(nèi)部的裂縫開展，以及界面裂縫在ECC與混凝土界面之間開展的力學(xué)行為[5]。還有眾多學(xué)者對高強韌水泥基復(fù)合材料的拉伸、彎曲性能進行實驗研究[6-12]。本文從材料設(shè)計理論、制備工藝和應(yīng)用前景對ECC材料進行了研究，提出變分漸進多尺度模型技術(shù)路線制備出高性能ECC材料的研究理論，為復(fù)合材料的制備提供一定的參考價值。

材料設(shè)計理論

ECC材料設(shè)計遵循了能量準則和強度準則，是基于細觀力學(xué)設(shè)計的具有超強韌性的三維亂向分布短切纖維增強水泥基復(fù)合材料(ECC材料與普通混凝土、纖維混凝土的性能對比，見圖1)。為將各尺度的關(guān)系建立在統(tǒng)一的模型下，建立細、宏觀尺度之間的聯(lián)系，我們通過前期的理論技術(shù)分析、成分設(shè)計和實驗?zāi)M來制備高性能材料。在這一過程中，重點是從界面狀態(tài)(強度和剛度)對宏觀應(yīng)力-應(yīng)變場的影響機理出發(fā)進行設(shè)計，這是目前國際前沿交叉學(xué)科材料制備中的創(chuàng)新性課題。

圖1 ECC材料與普通混凝土、纖維混凝土的性能對比

采用高通量實驗設(shè)計理論可對地區(qū)企業(yè)生產(chǎn)的水泥、砂、粉煤灰、纖維和超塑化劑等材料進行實驗設(shè)計，在傳統(tǒng)材料損傷理論的基礎(chǔ)上引入濕-熱-力耦合效應(yīng)。惡劣環(huán)境會直接導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋銹蝕、凍融破壞、鹽類侵蝕、溶蝕、堿-集料反應(yīng)和沖擊磨損等，嚴重威脅工程的安全性和耐久性，直接影響損傷的產(chǎn)生和擴展，進而使工程材料的韌性、剛度、強度等力學(xué)性能發(fā)生變化，并影響材料的所有性質(zhì)和服役行為。針對此類損失，實驗擬從微納尺度對材料的失效行為進行預(yù)防，重點采用微觀物相對宏觀應(yīng)力-應(yīng)變場的影響機理來設(shè)計，提高材料的可靠性。

近幾年來，變分漸進理論在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性能分析中得到了廣泛應(yīng)用。ECC變分漸進多尺度模型技術(shù)路線(見圖2)是材料設(shè)計的重要理論，該理論首先推導(dǎo)ECC復(fù)合材料濕熱彈塑性體的基本方程與邊界條件，由熱力學(xué)定律推導(dǎo)纖維/基體應(yīng)變能、濕-熱-力耦合能和濕熱能構(gòu)成的Gibbs自由能。其次，在此基礎(chǔ)上研究ECC材料濕熱彈塑性靜力學(xué)的變分原理。一方面通過引入Lagrange乘子將帶有約束條件的含多個自變量函數(shù)的泛函極值問題轉(zhuǎn)化為無條件極值問題，推導(dǎo)ECC濕熱彈塑性體靜力學(xué)5類變量的勢能型廣義變分原理。其中，這5類變量分別為：位移、應(yīng)變、應(yīng)力、溫度和濕度。另一方面根據(jù)基本方程與邊界條件以及本構(gòu)方程，采用變積方法推導(dǎo)ECC濕熱彈塑性體靜力學(xué)廣義變分原理的泛函和宏-細觀統(tǒng)一本構(gòu)方程，然后進行模擬實驗。解決了破壞性實驗成本高、實驗環(huán)境苛刻等難題，能實現(xiàn)高通量、低成本、高效率地研發(fā)出高性能ECC材料。

圖2 ECC變分漸進多尺度模型技術(shù)路線

制備工藝研究及性能測試

根據(jù)ECC材料按照設(shè)計的模型和數(shù)值模擬的理論結(jié)果，選擇不同集料、不同纖維品種(Kuraray PVA、國產(chǎn)PVA纖維、鋼纖維)、不同纖維摻雜量和不同水膠比，制備出不僅能承受復(fù)雜、長時效載荷作用，而且還能承受高溫、高濕等苛刻的外部環(huán)境因素考驗的基體材料?；贕urtin-Murdoch表/界面理論引入界面應(yīng)力，采用非線性彈簧元建立三種不同界面模型(柔性、常響應(yīng)以及漸近適應(yīng)模型)模擬不同弱界面的粘結(jié)與失效?？紤]到界面相尺寸比骨料/纖維尺寸小兩個數(shù)量級的特征，建立二重變分漸近雙尺度法，即按照纖維與界面相均勻化纖維。其次，使纖維在基體中均勻化分布，并由此推測和預(yù)報材料可能有效的力學(xué)性能。按照宏觀均勻結(jié)構(gòu)→單胞→應(yīng)力集中區(qū)域的順序，逐層分析濕-熱-力耦合下含界面相ECC材料的變形形狀和三維應(yīng)力-應(yīng)變場分布。通過改變界面強度和剛度的大小，進一步分析界面參數(shù)對宏觀應(yīng)力-應(yīng)變場的影響規(guī)律。

之后測試材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、沖擊功性能和抗?jié)駸嵫趸阅艿龋瑢⒛M結(jié)果與實驗結(jié)果比較，結(jié)合基于微觀結(jié)構(gòu)分析的準應(yīng)變-硬化機理研究，對模型參數(shù)進行修正，建立基于ECC組分材料屬性、測試數(shù)據(jù)校準和微觀結(jié)構(gòu)定義的多尺度模型，實現(xiàn)對ECC準應(yīng)變硬化行為的預(yù)測。研究各參數(shù)對ECC流變性能及力學(xué)性能，例如：延性、多縫開裂、彎曲性能(見圖3)、單周拉伸性能等的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，可深入研究ECC材料的軸向壓縮性能、彈性模量、泊松比以及抗壓應(yīng)力應(yīng)變曲線等。

圖3 ECC材料的彎曲性能

最后，根據(jù)ECC多縫開裂滿足條件引入穩(wěn)態(tài)開裂準則和開裂強度準則，將構(gòu)建的多尺度模型與濕-熱-力耦合下的漸近損傷聯(lián)系起來，建立從單胞失效破壞→多微裂縫開裂→宏觀裂縫破壞的多尺度漸近損傷模型。闡明ECC材料的強化機理和耐濕熱環(huán)境腐蝕機理，將結(jié)合界面的物相和性能表征結(jié)果用材料學(xué)的理論進行分析，形成具有參考和推廣價值的理論，可制備出噴射型ECC材料、防火ECC材料、擠出式ECC管道、大壩和擋土墻ECC修復(fù)材料、抗?jié)B隧道襯砌等多功能ECC建筑材料。

應(yīng)用前景

進入21世紀以來，我國建造了大量的跨海灣、海峽大橋。其中有代表性的是兩座超過30 km的超長跨海大橋——東海大橋和杭州灣跨海大橋，這些橋梁的研究與建設(shè)推動了我國大跨度橋梁理論的進一步發(fā)展。隨著國家“一帶一路”和“十三五規(guī)劃”的實施，我國將在渤海灣、長江口、杭州灣、珠江口、臺灣海峽和瓊州海峽等建設(shè)巨型跨海工程。

此外，近年來我國超高層建筑建設(shè)速度也進一步加快。超高層、大跨度混凝土構(gòu)筑物的出現(xiàn)，尤其是復(fù)雜惡劣環(huán)境下服役混凝土構(gòu)筑物的日益增加、自然災(zāi)害頻繁發(fā)生、基礎(chǔ)設(shè)施老化問題的進一步加劇等，使混凝土材料面臨著新的挑戰(zhàn)。自此應(yīng)運而生的水泥基工程復(fù)合材料 ECC則是基于細觀力學(xué)設(shè)計的一種具有超強韌性的三維亂向分布短切纖維增強水泥基復(fù)合材料，其具有良好的高延性性能，可以滿足這些工程應(yīng)用對材料性能的特殊要求。同時ECC也在進一步向著綠色化、生態(tài)化方向發(fā)展，如充分利用工業(yè)廢渣(粉煤灰，礦渣等)，這一發(fā)展趨勢符合對于節(jié)約資源和能源、保護生態(tài)環(huán)境的要求，可稱其為“新型綠色工程材料”。

目前有關(guān)于ECC復(fù)合材料在實際工程中的應(yīng)用己經(jīng)在日本、美國等展開，并取得了良好的效果。如位于日本歧阜的某擋土墻，因堿骨料反應(yīng)引起混?凝土嚴重損壞，產(chǎn)生大量宏觀裂縫。采用噴射ECC進行15 mm厚的修復(fù)，修補完成一年后的ECC修復(fù)層表面上僅僅看到了少量寬度在50 μm以下的微裂縫。此外，在我國的地震多發(fā)地帶，抗震設(shè)計要求嚴格的地方需采用延性材料，遭遇地震時可消耗更大能量，成為一道防線，ECC復(fù)合材料在這方面有獨特的優(yōu)勢，因此對ECC復(fù)合材料的研究與應(yīng)用勢在必行。

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